（环境工程专业论文）电厂温排水对水生生物的热影响及水质影响研究.pdf

河海大学硕：ij 学位论义 摘要 随着经济和社会的发展，用电量日益增大。火电厂不断增多，用来冷却发电 设备的冷却水量也不断增大。目前火电厂多数采用直流冷却的温排水排放方式， 其结果可能对排放水域造成热影响和水质影响。 本文结合池州电厂二期扩建工程和吴泾电厂六期扩建工程，系统地研究了温 排水对水生生物的热影响和水质影响。两个电厂的排水水体均属敏感水体，池州 电厂排水口在铜陵淡水豚保护区内，而吴泾电厂的排水区域下游为准水源保护 地。 本文在总结前人研究成果的基础上，主要进行了如下研究： ( 1 ) 选用热影响的工程标准和鱼类、藻类、浮游动物和底栖动物的热影响 指标作为温排水的热影响综合评价指标。 ( 2 ) 选用综合污染等标指数、超标倍数和超标率等指标对水质污染状况进 行评价。 ( 3 ) 采用平面二维水流、温度场和水质数学模型对流场、温度场和浓度场 进行了数值模拟，并对电厂温排水的热影响和水质影响进行预测。 研究结果表明，评价指标能很好地反映温排水的热影响和水质影响，该评价 体系合理；数学模型的模拟结果与实测值拟合较好，对温度场和污染物的浓度场 预测准确；该模型在预测水温水质方面适用。电厂温排水的热影响和水质影响评 价结果，可为类似水域的温排水问题研究提供参考。 关键词：温排水温升水生生物热影响水质 河海大学坝二i ：学位沦文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n ds o c i e t y , t h er e q u i r e m e n to ft h e e l e c t r i c i t yi si n c r e a s i n g m o r ea n dl n o r ew a t e ri su s e dt oc o o lt h ee q u i p m e n to ft h e e l e c t r i cg e n e r a t o r c u r r e n t l yc o o l i n gc o o l i n g d o w nm e t h o di sa p p l i e dt op o w e rp l a n t s ， a sar e s u l t t h e r m a le f f e c ta n dw a t e rq u a l i t ye f f e c tc a nb ep r o d u c e dt ot h er e g i o no f w a t e rd i s c h a r g e c o m b i n i n gw i t ht h em o d e l i n gr e s u l t so ft h e r m a ld i s c h a r g ef r o mc h i z h o ua n d w u j i n gp o w e rp l a n t s ，t h ee f f e c to ft h e r m a ld i s c h a r g eo nh y d r o b i o n ta n dw a t e rq u a l i t y r e s e a r c h e di nd e t a i l t h ew a t e rd i s c h a r g eo ft w op o w e rp l a n t si ss u s c e p t i v e ，b e c a u s e t h eo u t l e to fc h i z h o up o w e rp l a n ti si nt o n l i n gf r e s hw a t e rd o l p h i nn a t u r er e s e r v e ， a n dt h ed o w n s t r e a mo f o u t l e to f w u j i n gp o w e r p l a n ti ss t a n d a r dw a t e rr e s o u r c e b a s e do nt h ef o r m e rr e s u l t s ，s o m em a j o rr e s e a r c hr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) e n g i n e e r i n gc r i t e r i o na n dt h e r m a le f f e c ti n d e xo ff i s h e s ，a l g a e ，z o o p l a n k t o n a n dz o o b e n t h o sw e r ec h o s e na st h ei n d e xo fs y n t h e s i sa s s e s s m e n t st ot h et h e r m a l e f f e c t ( 2 ) s y n t h e s i sp o l l u t i o ne q u a lc r i t e r i o ni n d e x ，e x c e e dm u l t i p l ea n de x c e e dr a t i o w e r ec h o s e na st h ei n d e xo fs y n t h e s i sa s s e s s m e n t st ot h ew a t e rq u a l i t ye f f e c t ( 3 ) t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h ec o n t a m i n a t i o nc o n c e n t r a t i o nf i e l dw e r e s i m u l a t e d u s i n g2 - dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l ，t h ee f f e c to ft h e r m a ld i s c h a r g e o nh y d r o b i o n tw a t e rq u a l i t yw e r ep r e d i c t e d a sar e s u l t ，t h e r m a le f f e c ta n dw a t e rq u a l i t ye f f e c to ft h e r m a ld i s c h a r g ew e r e s h o w e db e t t e rb yt h ea s s e s s m e n t si n d e xa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa c c o r d e d 晰t hr e a l 喇i l h 羽瑚锑眯卜甘地抽d e 卜甜l m o d e _ 州e 静叫，p l 妊t b i e - 羽袱舻m 甜砌括_ n 硒l 母e r e f e r e n c et ot h ea s s e s s m e n to f t h ee n v i r o n m e n t a li m p a c t si na n a l o g yr e g i o n k e yw o r d s ： t h e r m a ld i s c h a r g e ，e x c e s st e m p e r a t u r e ，h y d r o b i o n t ，t h e r m a le f f e c t ，w a t e rq u a l i t y 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：堂丝匮2 0 0 6 年6 月1 0 日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：韭丝民2 0 0 6 年6 月1 0 日 河海人学硕? i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出及研究的意义 随着经济和社会的持续发展，用电量也飞速增长。为了满足人们生产和生活 的用电需求，除了通过提倡节约用电来“节流”，必须通过加快电力开发、扩大 装机容量来“开源”才能解决这一问题，其主要方式是发电厂的改建、扩建和增 容，其中许多是火电站和核电站。火力发电和核能发电，都需要对发电设备进行 冷却，这就需要大量的冷却水。因此大型核电、火电站大多靠近海湾、河口、湖 泊、水库等处选址，以便就地利用水资源进行冷却。冷却水以温排水的形式排放 到水体。 目前，我国火电厂和核电厂的温排水多数采用直排水面冷却方式。随着排水 的不断进行，热量和污染物都会不断增加，这就会产生一系列的温排水问题及影 响，如温排水自身影响、污水转移问题、盐度升高问题、航运、防洪等影响、农 田灌溉问题等等。温排水的自身影响主要是热影响，热影响可以影响的自身的取 水冷却，进而给电厂冷却系统的效率带来影响( 水体温升2 。c ，热效率减少1 1 】) ； 热影响也可能对排水区域及其附近地区的水体环境和生态造成一定的影响。温排 水的其他影响都是对水质方面的影响，冷却水通过冷却设备后排放到水体中，污 染物随之发生了转移，而流经冷却设备后的冷却水，其中污染物质经过蒸发浓缩， 其浓度增大，这样必然会使得排水的污染物浓度有所升高，随着水温的升高，排 放口周围水体中污染物质的浓度也会发生变化，水体的盐度会增大。盐度增大， 腐蚀性增大，这样就对航运、防洪等都会带来影响。 随着人们环境意识的增强，原来认为较为次要的温排水影响也随之受到重视 并对其加以研究。温排水对环境生态的影响主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 对鱼类洄游通道、产卵区、栖息地的影响。鱼类生活在水中，对水温 的变化敏感，同时因为鱼类是变温动物，其体温的调节能力相对较弱，因此温度 较高或温度变化较快会对其产生热影响或热冲击，造成鱼类的急性热致死。急性 致死的情况不多，尤其在流动水体的条件下。多数热影响是表现为温排水对鱼类 生长、繁殖等行为的抑制作用，即所谓的“亚致死效应”。鱼类在生命周期的不 河海大学硕：i ：学位论义 同阶段，承受热影响的能力不同。从生物学角度看，生长的温度范围总是比致死 的温度范围要窄，而繁殖的温度范围也要比生长的温度范围窄，因此温排水对鱼 类的抑制作用主要是对其繁殖期的抑制，其次是对其生长发育的抑制。由温升引 起的溶解氧变化对鱼类的影响也大抵遵循这个规律。鱼类的生命活动中比较重要 的行为是洄游、产卵和栖息，因此温排水的热影响主要表现为对鱼类洄游通道、 产卵区和栖息地的影响。 ( 2 ) 影响其他水生生物的生长。除了对鱼类等水生动物可能产生热影响外， 温升对藻类、浮游动物和底栖生物也可能产生一定的热影响。表现在一定的温升 会使浮游藻类的种群组成发生变化，即蓝、绿藻种类增多，硅藻种类的比例下降， 藻类生物量出现消涨【2 】；水温变化影响浮游动物的季节变化，使得不同水温区 浮游动物的数量、种类和生物量不同；温度升高造成的河流不封冻以及大量热的 排放和强混合的联合作用，都会给适应温度变化能力较差、游动能力也相对较弱 的底栖生物带来严重的负面影响。 ( 3 ) 因水温变化引起水质指标的变化，从而导致水质下降等。温度变化会 引起水质发生物理的、化学的和生物化学的变化。温度升高会使水的粘度降低、 密度减少、水中沉积物的空间位置和数量会发生变化，导致污泥沉积量增多。水 温增加，还会引起溶解氧饱和度减少，同时污染物降解加速，溶解氧消耗加大， 水体的溶解氧含量下降。水温升高，污染物的溶解度增大，反应加快，增温水体 的含盐量、总硬度、氨氮、化学需氧量等水质指标也会发生相应的变化。 ( 4 ) 水污染转移影响。当热废水以点源方式排放后，首先在近区掺混，使 热废水在水深方向上充分混合，再经过渡段使其在横向充分混合，最后达到断面 上完全混合。污染转移不但发生在取排水的过程中，在排放后，污染物会随水流 向下游扩散、迁移和降解，同时排水区域周边的水体水质也会受其影响发生污染 转移。 ( 5 ) 对于滨海电厂，还存在盐雾问题。经过冷却设备的温排水，污染物的 浓度受浓缩作用影响会增大，排水含盐度增高。在滨海电厂，热蒸汽和盐分的共 同作用就会产生所谓的盐雾。盐度的增大会引起一系列问题，诸如因为腐蚀作用 对航运的影响、对水生态的影响以及对排放口附近陆生生态系统的影响等。 因此，研究温排水对环境生态的影响是十分必要的，也具有重要的学术价值 河海人学硕二l ：学位论文 和实用价值。本文结合池州电厂温排水温度数值模拟结果进行热影响分析，考察 其对下游淡水豚栖息地及排水周边区域可能产生的热影响；通过对吴泾段水质监 测资料和吴泾电厂温排水水质数值模拟结果分析，考察温排水对浦东一侧以及下 游临江泵站处准水源保护区的水质影响，具有理论意义和实际价值。 1 2 研究现状 1 2 1 温排水热影响研究 ( 1 ) 国外研究状况 在温排水对环境生态影响方面，国外早在2 0 世纪4 0 年代已开展热污染对鱼 类的影响研究【3 ，4 1 。2 0 世纪5 0 年代以后，随着工业的发展，电力需求量增大， 循环冷却水量增大，排入水环境中的热量不断增大，在美国佛罗里达州的比斯坎 湾，一座核电站排放的温排水使附近水域水温增加了8 ，造成1 5 k m 海域内生 物消失，该事件引起了广泛的关注。美国、西欧等发达国家相继开展了水生环境 的热影响方面的研究工作 5 - - - 8 。 前苏联在5 0 年代就开始人工排热引起受热水域增温效应的研究，并逐渐扩展 到其他相关的学科领域，在多学科领域相互影响的研究方面有较深的研究；日本 在开展人工排热影响的观测试验和预测研究的基础上，进行了一些与鱼类生存各 阶段相关的试验及验证研究，并曾修建大规模露天试验场，为温排水的热影响问 题研究提供了一些有益的参考。 在规范、评价方法等方面，美国环境保护局( e p a ) 在1 9 7 6 年公布的标准 中规定：在海水中，由人为源导致的最大可接受的标准是每周温度提高范围为 1 0 ，全年四季都一样；关于夏天的排放区温度上限，应该建立在一个特殊的 区域上；在夏季的白天，美国沿岸海域的最大平均温度值为2 7 8 - - 2 9 4 ，而短 时间的温度最大值范围是3 0 6 3 2 2 ( e p a ，1 9 7 6 ) 。美国环境保护局提出的温 度的评价标准认为：对淡水水生物，在一年之中的任何时间里，每个地区都有两 个上限水温( 以当地当时观察到的重要敏感物种为依据) ，它们分别是短期暴露 最高水温和周平均水温。美国联邦水污染控制管理局还制定了许多水生动物的上 限水温和下限水温，而且列出了鱼类和其他生物的致死水温表以供查阅，关于底 河海人学颂：f ：擎位论文 栖动物受温度的影响也有研究。在1 9 6 8 年4 月1 日的部长报告中，美国国家技 术咨询服务处提出的推荐值如表1 1 所示，即排入江水的温度在混合后不得超出 3 。c 指标为限，温升3 。c 是鱼可以忍受的温度区间，推荐的最大温升范围为0 8 2 8 。c ，这主要取决于水体的性质、河口的性质以及季节的变化情况。美国学者 b r e t t j r 9 1 认为，在任何时候，任何地方水体温度都不能达到3 4 。c ，这是水 生生物的最高温度极限。淡水的标准更加复杂且具有区域性，不仅考虑了最敏感 的重要生物物种的耐热性，以及能顺利完成迁移、产卵、孵化、育苗和繁殖功能 的必要条件，还考虑了在冬季电厂突然停机时所造成的冷冲击影响。该标准认为， 美国电厂冷却水水温升高5 1 5 ，已经大大超过了可接受的温升范围，热废水 在排放前必须进行冷却。d es y l v a ( 1 9 6 9 ) 和c o u t a n t ( 1 9 7 2 ) 也为温度标准的制 定做出了很大贡献。d es y l v a 扼要综述了亚致死水温对新陈代谢、呼吸、习性、 分布、洄游、摄食速度、生长及繁殖的影响，他还对温升和有毒物质共同作用于 鱼类的试验数据进行扼要的综述，得出这样的结论：一般来说，随着水温的升高， 毒性加大，而且受到毒物威胁的生物其耐受极限水温的能力降低。c o u t a n t 为制 定淡水的评价标准，做了以下限定：最大持久水温，它要适合于将生产力保持在 理想水平；水温要能保证生物短期暴露于上限和下限水温时能存活；水温应该满 足鱼类正常繁殖和洄游活动所要求的限定水温范围，以及低等生物变态、羽化或 其他活动所需要的水温：水温应该保证水生生物的多样性需要，尤其在生物种类 多样性减少会造成某些生物有害生长的地方，或是重要食物源( 食物链) 会发生 变化的地方；在河流上游的冷水源减少时将对下游的水温产生不良影响的地方， 下游水温应能满足水生物生长的要求。因为各地区的水文气象条件不同，水生生 物的状况也有差异，美国在制定淡水水温标准时认为没有单一的温度标准能应用 于整个美国。甚至一个州，所以美国联邦政府的各个州又分别制定了适合本州的 水温标准 1 0 】。 表1 1 区域日最高水温月平均最大升高值 区域温度上升 湖泊3a f ( 1 7 ) 河流5 下( 2 8 ) 夏季 1 5 下( 0 8 ) 河口 其他季节 4 0 f ( 2 2 ) 6 0 年代前后，欧美各国在进行大量的试验和调查后，相继制定了温度评价标 4 河海火学硕士学位论文 准或热排放标准。例如英国防止河道污染法中规定：排水温度不得超过2 6 2 8 ，温升不准超过5 。法国在环境法中规定河水温度不得超过3 0 。前 苏联在卫生立法纲要中规定，夏季温排水引起受纳水体的温升不得高于3 ， 冬季不得高于5 。c 1 1 。此后，关于热污染的研究仍在进行中 1 2 ，1 3 。 在温排水影响预测方法方面，美国学者从上世纪7 0 年代就开始了温排放流 场和水质变化的研究，b e e r 等就m i c h i g a n 湖的温排放进行了环境影响的研究工 作，1 9 7 5 年l o u i s v i l l e 大学开始预测温排放的温度分布，1 9 8 0 年出版的电厂 直流冷却水对水生态系统影响的预测对预测的理论依据、思想方法及数学模型 等做了比较系统的论述。此后在单一鱼类种群致死效应以及种群影响的定量预测 模型研究方面也取得了一定进展，电厂热污染的预测得到了更广泛的关注 1 4 1 5 1 6 1 7 】。 ( 2 ) 国内研究状况 在温排水的水生态影响研究方面，由于1 9 7 8 年江苏望亭电厂邻近的望虞河及 附近的河网区鱼类大量死亡，水产品大范围减产，其后不久陡河水库又发生了电 厂排水造成的幼鱼死亡事件，温排水的热影响渐渐引起人们的重视，温排水的热 影响研究相继展开。初期的研究主要围绕电厂本身的设计方面，后来才进行水温 变化对水生生物影响的相关试验。通过室内和野外试验，来确定升温对鱼类致死 和亚致死效应，以及研究不同季节、不同增温区浮游植物和浮游动物受温度影响 引起种类和数量上的变化等。关于鱼类的试验，主要针对常见的经济鱼类进行温 升试验，研究在鱼的各个发育时期受温度的影响。我国在温排水热影响方面的研 究虽然起步稍晚，但发展较快。 8 0 年代后期，我国也陆续出现了有关水生态热效应的研究成果 1 8 - 2 0 。9 0 年代以后热致死试验方面的研究减少，而与温度变化相关的生态研究则有一定程 度的进, 展 2 1 1 1 2 2 1 1 2 3 。 在评价标准和方法方面，目前，有关科研人员一致认为应采用多项指标或综 合性指标作为温度评价标准。经常采用的温度指标有：起始致死温度、最高起始 致死温度、临界热最大值c t m ( c r i t i c a lt h e r m a lm a x i m u m ) 、选择一回避温度、 最适温度、最高周平均温度、短期暴露最高温度等。我国在一些水质标准中对温 升及温度限值也做了一些规定。在景观娱乐用水水质标准( g b l 2 9 4 1 - - 9 1 ) 河海火学颂：i ：学位论文 中规定a 类和b 类用水的水温不高于近十年当月平均水温2 ，c 类水不高于近十 年当月平均水温4 。c 。华东电力设计院、上海水产所及河海大学等单位联合编制 的火力发电厂循环水系统温排水淡水水域华东地区温度排放标准( 讨论稿) 对渔业用水区允许掺混区的范围规定为：河流横断面上至少留有三分之一的水面 宽度加上三分之一的横断面宽度；在鱼类养殖场、索饵场，火电厂温排水在允许 掺混区边缘外的水温在夏季应小于3 4 。c ，其他季节应小于鱼类在相应季节的短期 暴露安全水温。在鱼类产卵场，火电厂温排水的水温应满足鱼类产卵、孵化、鱼 苗生长和其它繁殖功能对温度的要求，其限制水温应小于2 4 2 8 。c 。在其他地区 ( 包括鱼的洄游通道和越冬场等) ，火电厂温排水在允许的掺混区边缘外的水温 不得超过鱼类在相应月份的短期暴露安全水温。上述标准还规定游览、娱乐用水 区和农业用水区的夏季水温不超过3 5 ，渔业用水区不超过鱼类生长最大周平均 水温，夏季水温不超过3 4 。 在温排水预测方法方面，9 0 年代以来，我国在温排水模型预测研究方面有了 很大进展。华祖林 2 4 】、程杭平【1 】、张大克【2 5 等的研究成果使得水流温升场模 型不断得到验证、补充，其他研究者在模型参数、计算方法、灵敏度等方面也取 得一系列成果。 可将国内外关于电厂温排水对水生生态环境影响的研究方法归纳为三种情 况：( 1 ) 根据电厂温排水的实际情况，采用数值计算方法计算温排水引起的温升 范1 重1 1 2 6 ；( 2 ) 根据实际调查资料，分析电厂温排水引起的周围水域水产资源数 量的减少程度 2 7 ；( 3 ) 根据电厂温排水引起的温升范围，定性分析温排水对水 生生态的影响 2 8 1 。 1 2 2 温排水水质影响研究 在水质评价标准方面，国内外都建立了比较完备的环境标准体系。我国目前 的环境标准体系可分为两级和七种类型，即国家环境标准、地方环境标准以及环 境质量标准、污染物排放标准、污染报警标准、环境基础标准、环境方法标准、 环境标准物质标准、环保仪器设备标准，另外还有强制性标准和推荐性标准等。 我国常用的水环境标准主要有污水综合排放标准、地面水环境质量标准、生活饮 用水卫生标准、渔业水质标准、农田灌溉水质标准、生活饮用水水源水质标准、 河海大学硕：ij 学位论文 地下水质量标准、地表水资源质量标准等。 在水质评价方法方面，目前采用的水质评价方法很多 2 9 ，其中，污染源评 价主要有等标污染负荷法、等标排放量法和排毒系数法等。等标污染负荷法的物 理含义是，假定排出的污染物稀释到排放标准所需的稀释物质量，包括某污染物 的等标污染负荷、某污染源的总等标污染负荷、某个区域( 流域) 的等标污染负 荷、全区( 全流域) 的总等标污染负荷、区域中某污染物的等标污染负荷、某污 染物在某污染源中或区域中污染负荷比、某污染源在全区( 全流域) 的污染负荷 比。等标排放量法的物理含义是，假设把污染物稀释到卫生标准浓度时所需的稀 释物质量，包括某污染物的等标排放量等。排毒系数法的物理含义是，假设排出 的污染物全部作用在人体上，可以引起慢性中毒的人数，包括某污染物的排毒系 数及污染源的总排毒系数等。水污染现状评价按评价因子可分为单项和多项评 价，目前常用的评价方法有指数法、生物评价法、模糊数学方法、层次分析法等， 这些方法在说明水质状况方面各有特点。较常用的是指数法，包括单指数法和综 合污染指数法等。 在水质影响预测方面，关于温排水对水质的影响，主要通过水质模型进行模 拟预测。水质模型可描述水流中污染物随时间和空间的变化规律，包括模拟水动 力状况和水质状况，为水污染防治规划的研究提供科学依据。 一水质模型分为恒定流模型和非恒定流模型。恒定流( 稳态) 水质模型的代表 是q u a l 2 e 模型 3 0 ，它是一维( 纵向) 模型，主要用来模拟混合良好的河流与 湖泊中的溶解氧、生化需氧量、温度、藻类、叶绿素a 、有机氮、氨型氮、硝酸 氮、有机磷、无机磷、大肠杆菌、任意一种非守恒的组份和任意三种守恒的组份 的浓度及变化。常见的稳态模型还有n e c k a r 河模型【3 1 】、s t e a d y 模型 3 2 】和 s t r e e t e r - p h e l p s 模型 3 3 】等。虽然目前已有多种河流水质模型，但经常使用并能满 足一般要求的仍是s t r e e t e r - - p h e l p s 模型与它的修正形式- - d o b b i n s 模型，前者至 今仍是各种b o d - - d o 模型的基础【2 9 】。s t r e e t e r - p h e l p s 模型可以模拟溶解氧、含 氮需氧量、碳素、生化需氧量、正磷酸盐、大肠杆菌总数，以及3 种守恒污染物 质。 除了稳态水质模型外，还有非恒定流( 非稳态) 水质模型。非稳态水质模型 的代表是w a s p 5 模型【3 4 】。该模型适用于对河流、水库、河1 3 、海岸的模拟， 7 河海火学硕二l 学位论文 可以充分反映对流、弥散、扩散以及边界的交换等随时间变化的过程，并可对河 段污染状况进行分段预测。非稳态水质模型还有c e q u a l r j v l 模型3 5 1 ， w q r r s 模型 3 6 1 ，h e c - - 5 q 模型 3 7 1 等。这三种模型都可以模拟温度、溶解氧、 生化需氧量和营养素，后两种模型还可以实现对水质的分组预测，并配置相应的 专用软件包，可以对溶解氧、氨氮、水温、溶解固体、浮游植物等相关生物组分 进行较全面的模拟。 水质模型中所采用的各种参数，一般要通过现场或实验室试验研究来确定， 有时也可以根据经验公式和文献中提供的信息对其初始值做出近似的估算。 1 3 以往研究存在的问题 在温排水热影响的标准方面，虽然火力发电厂循环水系统温排水淡水水域 华东地区温度排放标准( 讨论稿) 规定了渔业用水区允许掺混区以及掺混区外 缘的范围，但该标准仅仅粗略地分析温排水对生物( 主要是鱼类) 的影响，而没 有针对实际工程情况区别对待。另外，前人对鱼类的热影响试验研究也主要针对 一些常见的鱼类，且主要关于热损害方面。尽管国外在这方面也有很多研究，但 由于水体不同，水文气象条件及水质营养状况等差异很大，生物种类和适应条件 也有很大差异，以往的研究成果缺乏通用性。因此，对于具体的水体，不仅要考 虑温排放自身引起的温度场范围，还要考虑当地的鱼类及其他生物的组成、习性， 乃至洄游等情况。同时，在热影响指标中，也应把鱼类的适宜温度等作为鱼类是 否对某一水温回避的因素来考虑。 目前，对电厂温排水引起河流水质变化的研究较少，多数研究侧重于海域和 湖泊的水质污染方面。另外，污染源不同，水体污染程度不同，水质评价采用的 标准和方法也不同。水质评价的标准和方法很多，对于具体水体的水质评价，应 根据监测资料和评价要求，选用合适的评价标准和评价方法。 在温排水的热影响和水质影响的预测方面，虽然前人在模型方面已有较深入 的研究，包括对模型本身的假定，模型控制方程的离散、求解方法，一些与数值 模拟有关的技术等都取得了很大进展，为模型参数的选取提供了参考。但是，前 人的研究往往局限于温排水的某一方面影响分析，而对温排水的综合影响则研究 得很少。对于具体工程问题，模型的简化及模型参数的选取等也应根据实际情况 河海大学硕士学位论文 来确定，而且模型必须验证后才能应用。 1 4 本文研究的主要内容 本文在总结前人研究成果的基础上，结合池州电厂温排水问题，分析了温排 水对排水口附近保护区内水生生物的热影响：结合吴泾电厂六期工程，研究了温 排水引起的污染转移及温排水对排水口附近水域及下游敏感区水质的影响。主要 研究内容为： ( 1 ) 总结并提出温排水热影响及水质影响的评价指标。 ( 2 ) 对池州电厂温排水温度场数值模拟结果进行分析，并预测温排水对铜 陵淡水豚保护区某些水生生物可能产生的热影响。 ( 3 ) 对吴泾电厂温排水温度场和污染物浓度场的数值模拟结果进行分析， 预测温排水的水质影响。 ( 4 ) 概括电厂温排水对温度场和污染物浓度场变化的影响，总结温排水对 排水区的热影响和水质影响的一般情况。 针对上述研究重点，本文采用以下研究路线： 确定研究目的和内容 土 国内外研究成果评述 j 1 l上 i 池州电厂温排水模拟、验证及 响预测厂温l水模拟及水质影il 热影响分析 土 结论与展望 河海火学硕：i ：学位论文 2 1 热影响指标 第2 章温排水影响指标 温度是重要的水质指标，是水环境中极为重要的因素。水温直接影响鱼类及 其他水生动物的代谢，从而影响其生长、发育、洄游及繁殖等一系列活动。水温 影响水生植物和藻类的分布以及种群与数量的变化、繁茂程度与更替。水温对浮 游动物和底栖动物的种类和生物量也有一定的影响。 水温升高过快或温度过高都会给水生生物带来重要影响。首先给出限制因子 的定义：在诸多生态因子中，使生物的耐受性接近或达到极限，生物的生长发育、 生殖、活动以及分布等直接受到限制、甚至死亡的因子，称为限制因子( 1 i m i t i n g f a c t o r s ) 3 8 】。当水温升高到一定程度就会对水生生物产生限制性影响，此时温 升就成为水生生物的限制因子。 电厂温排水的热影响不仅取决于电厂本身排水的温度场情况，还要考虑到受 其影响的水生生态系统的状况。因此，热影响指标的确立既要考虑温排水热影响 的工程标准，也要考虑鱼类、藻类、浮游和底栖生物的耐热能力等因素。 2 1 1 热影响的工程标准 华东电力设计院等单位联合编制的火力发电厂循环水系统温排水淡水水域 华东地区温度排放标准( 讨论稿) 对渔业用水区允许掺混区的范围规定为：河 流横断面上至少留有三分之一的水面宽度加上三分之一的横断面宽度；在鱼类养 殖场、索饵场，火电厂温排水在允许掺混区外缘水温在夏季应小于3 4 ，其他 季节应小于鱼类在相应季节的短期暴露安全水温。在鱼类产卵场，火电厂温排水 的水温应满足鱼类产卵、孵化、鱼苗生长和其它繁殖功能对温度的要求，其限制 水温应小于2 4 - - - - 2 8 。在其他地区( 包括鱼的洄游通道和越冬场等) ，火电厂温 排水在允许的掺混区外缘的水温不得超过鱼类在相应月份的短期暴露安全水温。 2 1 2 鱼类的热影响指标 鱼类是变温动物，体温不能自动调节，同时鱼类也是水生动物中对水温的反 河海大学硕二l 学位论文 应最为敏感和迅速的种类，其生长、繁殖以及洄游等行为都不同程度地受到水温 的影响和制约。因此要评价温排水引起的温升是否造成热影响，首先应对鱼类的 热影响进行分析。评价鱼类热影响的常用温度指标主要有：起始致死温度、最高 起始致死温度、c t m 、选择一回避温度、最适温度、最高周平均温度、短期暴 露最高温度等 3 9 】。根据指标间的相关关系和电厂温排水情况，下面着重分析起 始致死温度、短期暴露最高温度、c t m 、选择一回避温度、最适温度等指标。 ( 1 ) 起始致死温度 每一物种在某一生命阶段，对某一温度适应了一段时间以后，都有一定的温 度忍受范围，这个范围的端值称为致死阈，又称起始致死温度。其上限定义为某 一驯化温度下的鱼类，突然放入高温水中，5 0 个体能无限期存活下去的温度值 ( t l 5 0 ) 。表2 1 列出我国几种经济鱼类各驯温条件下的起始致死温度值。 表2 1 我国四种经济鱼类各驯温下的t l 5 0 值( ) 驯温( ) 鱼种 5l o1 52 02 53 03 4 鲢囱2 5 02 6 62 8 63 1 63 4 23 7 13 8 1 鳙鱼 2 4 52 8 23 0 43 2 63 4 13 5 3 3 5 8 草鱼2 5 42 7 22 8 13 1 03 5 7 3 7 73 8 2 缎! 任2 4 o 2 8 - 3 2 9 03 3 13 5 23 6 83 7 0 鱼类在极端温度条件下，只要温度不是过高，暴露时间不是过长，一般危害 不大。由于鱼类自身有选择回避的能力，因此，鱼类在不利环境条件下的游速对 其能否在一定时间内逃避危害也是重要的参考。表2 2 给出鱼类的最高游速 4 0 】。 最高游泳速度极限为：u x = k l 2 t 。，其中t 。是肌肉收缩时间( 毫秒) 。 表2 2 鱼的最高游速( m s ) k = 0 7 体长温度( ) l ( c m ) 41 01 42 03 0 1 00 9 31 3 71 6 5 2 1 13 1 0 2 01 8 52 0 02 4 43 1 74 8 0 3 01 6 82 5 13 0 74 0 l6 1 7 5 02 2 23 3 44 1 05 4 0 8 4 4 7 0 2 6 84 0 4 5 0 06 5 61 0 8 5 9 03 0 84 6 55 7 37 5 91 2 0 5 ( 2 ) 短期暴露最大致死温度 i , l 海人学颂二i j 学位论文 汪锡钧等通过试验得到如表2 3 所示的几种常见鱼类的短期暴露最大致死温 度值 4 1 】。 表2 3 l 种主要淡水鱼类2 4 d 、t , - j 突变升温( 突变降温) 时的半致死温度( ) 驯化温度青鱼草鱼鲢鳙鲤 鲫 突变突变升温降温升温降温升温降温升温降温升温降温升温降温 升温降温致死致死致死致死致死致死致死致死致死致死致死致死 ( )( )温度 温度温度温度温度温度温度温度温度温度温度温度 5 03 5 01 8 52 7 41 5 02 6 61 6 02 7 21 5 52 7 81 1 o1 4 0 1 0 o3 0 02 8 01 2 52 9 31 1 02 8 91 2 02 9 91 2 02 9 49 o3 0 21 0 0 1 5 02 5 03 1 03 1 57 52 9 86 53 0 46 53 3 03 2 25 o 2 0 02 0 03 3 83 3 54 o3 2 6 4 0 3 3 53 53 5 23 5 3 2 0 2 5 01 5 03 4 33 7 03 6 o3 5 73 6 63 5 8 3 0 01 1 03 8 83 8 80 03 7 63 6 53 7 40 03 6 4 o o 3 5 0 6 0 3 9 7 4 0 53 8 2o o3 9 2 0 03 9 73 9 4 一般认为短期暴露最大致死温度减去2 鱼类是安全的。研究表明青鱼、草 鱼、鲢、鳙、鲤、鲫的短期暴露安全水温最大值分别为3 7 9 、3 9 、3 7 - 3 、 3 6 9 、3 7 8 和3 6 1 。 ( 3 )c t m c t m 是c r i t i c a lt h e r m a lm a x i m u m ( 临界热最大值) 的缩写。其定义为：使 动物运动能力紊乱，或者说使动物出现昏迷而丧失逃出致死环境条件的温度值吒 该值通过连续的温升实验获得。表2 4 列出了1 8 h ( 即0 3 。c m i n ) 增温速度下 的c t m 。 表2 4 鲢、鳙、草、鲤四种鱼的c t m ( 增温速度为o 3 m i n ) 驯温 鱼种鱼龄 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 4 0 0 龄2 5 53 0 13 0 23 0 03 6 03 9 54 1 0 鲢 1 龄3 4 83 1 63 8 14 0 4 0 龄2 4 82 9 23 2 73 4 23 6 5 鳙 1 龄3 0 23 3 43 5 83 7 83 8 64 1 1 0 龄2 8 63 1 43 1 13 5 o3 8 53 8 44 1 2 草 1 龄3 2 83 4 93 6 24 0 1 0 龄 2 6 83 1 3 3 3 1 3 4 2 鲤 1 龄3 1 53 3 9 3 4 23 5 03 5 64 0 9 河海大学硕- 1 ? 学位论文 ( 4 ) 选择一回避温度 温度是决定鱼类分布的主要因素之一，但是鱼类对温度及其生存条件又具有 主动选择的能力。增温区夏季水温如果在3 3 , - - , 3 6 。c 左右，大多数鱼类会采取主 动回避。如果处于高温区域时间过长或来不及回避就会对鱼类产生不可避免的影 响。表2 5 给出几种常见鱼类的选择温度。 表2 5 几种常见鱼类的选择温度表 回避温度( 高温) 选择适应温度范围( ) 种类驯化温度( ) ( ) 上限选择最适温度下限 62 3 52 0 41 5 01 3 5 1 02 7 12 2 6 1 7 11 5 3 1 52 9 52 8 0 2 3 42 0 3 鳙 2 0 2 2 92 2 0 鱼 2 53 3 03 0 52 8 52 6 3 3 03 4 53 3 03 2 22 8 o 3 63 6 53 5 83 3 53 1 2 62 2 51 8 0 1 6 41 3 8 1 02 5 52 3 91 8 81 7 7 鲢 1 52 7 02 4 02 0 41 9 2 鱼 2 03 0 62 7 42 2 62 0 5 2 53 3 13 0 72 8 7 2 7 6 3 03 6 03 2 o2 9 9 2 8 o 62 0 11 5 61 3 o1 1 3 1 03 1 12 6 62 4 21 9 8 苴 1 52 6 22 1 72 0 11 7 1 鱼 2 03 2 92 8 92 6 92 4 5 2 53 5 03 2 52 8 8 2 6 1 3 03 6 53 4 03 0 32 7 0 62 4 32 1 01 9 71 5 8 鲤 1 53 0 62 6 12 5 4 2 1 2 2 03 3 02 8 52 6 9 2 4 2 鱼 2 53 4 53 0 o2 6 5 3 03 7 03 2 5 3 0 12 7 5 62 1 51 7 0 1 3 0 鲫2 03 2 52 8 o2 6 1 2 3 2 鱼 2 52 7 82 4 3 2 2 5 3 03 4 73 0 52 8 9 2 4 2 河海人学顺j ：学位论文 ( 5 ) 最适温度 鱼类属变温动物，其生长繁殖与温度、光等气候因子有密切关系。适温条件 是鱼类代谢和生长发育的最佳温度范围，低于或超过这个范围，其生长发育就会 受到限制。鱼类在各个生活阶段最适温度不同，据此可分为生长最适温度、繁殖 最适温度等，其中繁殖最适水温一般要比生长最适水温狭窄得多。除了常见鱼类 已经通过试验确定其受到热损害的情况，大部分鱼类，尤其是比较珍贵的鱼类， 其热损害的温度指标目前尚未确定，这些鱼类的热影响情况可以通过其最适温度 范围来判断。大多数家鱼生活的适宜水温范围为2 0 3 2 ，其中，青鱼生的生 长适温为2 0 2 8 ，草鱼为2 0 3 2 ，鲢鱼为2 0 - - - 3 2 ，鳙鱼为2 5 3 0 。另 外，鲶鱼的生存适温为0 3 8 ，生长适温为1 2 - 3 1 ，三月初沿河上溯作生殖 洄游。黄颡鱼的生存温度为1 3 8 ，生长适温为2 4 2 8 。 在繁殖和鱼苗生长温度方面，“四大家鱼”鱼苗阶段要求水温均为1 8 - 2 5 ， 鲶鱼和黄颡鱼的繁殖适温分别为2 3 3 2 和2 0 2 8 。 2 1 3 藻类的热影响指标 浮游藻类是水体的主要初级生产者，水体升温对浮游藻类的生长、种类组成、 优势种都有影响，影响程度与环境水温及增温幅度有关。在生物量方面，环境水 温较低时，水体升温能促进藻类生长，且藻类增长量服从强增温( 增温a t 3 ) 中增温( 增温a t = 3 ) 弱增温( 增温a t 3 ) 时，则大多数浮游动物停止繁殖，甚至 死亡或种类灭绝。在中增温水域，浮游动物的产量可能增高也可能降低。在弱增 温水域( 即a t i i i v i i i 。 5 2 4 投产前临江泵站处水质状况 临江泵站从黄浦江上游引水，供市区杨浦、南市等几个自来水厂，因此临江 泵站水质直接影响到上海市民的饮水水质。断面的东测点监测数据可以反映临 江泵站的水质状况，实测资料和地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中的 i 类标准对照，并计算超标率，结果见表5 3 。 由表5 3 可见，在临江泵站处，除冬季溶解氧较好外，其它项目均超标。夏 季污染更为严重，n h 3 一n 、d o 全部超标，c o d c ，和挥发酚超标率达8 3 3 ， 高锰酸盐指数5 0 。个别项目( 如挥发酚) 达类标准，夏季n h 3 一n 和d